宋吉衛(wèi) 陳紅梅
(中國船舶工業(yè)集團(tuán)公司第七○八研究所 上海 200011)
據(jù)英國Lloyd’s Register統(tǒng)計(jì),至2010年3月,全球已交付使用的LNG(液化天然氣)船總計(jì)約375艘 (不包括艙容小于1.2萬立方米的約20艘LNG船),其中艙容20萬立方米以上的船超過40艘,LNG船大型化發(fā)展趨勢越來越明顯。
LNG船運(yùn)輸?shù)呢浧窞榉悬c(diǎn)-163℃的液化天然氣,其主要成分是甲烷。依照IGC Code中的定義,LNG船屬于2G型氣體運(yùn)輸船。其貨物圍護(hù)系統(tǒng)主要有薄膜型(GTT公司的NO96、MARK III和CS1)、球罐型(MOSS)、自持式棱型(SPB)等形式。 目前大型LNG船的圍護(hù)系統(tǒng)都傾向于采用薄膜型。
本文所述的22萬立方米LNG船同樣采用薄膜型(NO96)。區(qū)別于普通運(yùn)輸船以載重量確定船舶大小的方法,LNG船以貨艙容積定義大小。因LNG的密度較?。s為0.43~0.47 t/m3),相同載重量下所需的貨艙容積較常規(guī)原油/成品油船大得多。一般將大于17萬立方米艙容的LNG船稱為大型LNG船。
線型的設(shè)計(jì)除關(guān)系到載貨量、總布置、水動力性能以及施工工藝等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)外,還要達(dá)到外形美觀的效果,其重要性毋庸置疑。大型LNG船線型受到貨艙形狀的約束,我們稱之為“帶型值控制點(diǎn)”的線型。NO96薄膜型圍護(hù)系統(tǒng)的LNG船,其貨艙尺度應(yīng)滿足GTT公司的設(shè)計(jì)要求。
針對GTT公司對大型LNG船分艙及貨艙形狀的建議,除首部第一貨艙外,其余貨艙尺度形狀相同,以獲得艙容最大化并簡化艙型設(shè)計(jì)。這樣的設(shè)計(jì)就對貨艙區(qū)前后端壁處的線型提出了一定的約束條件。而這些約束條件與船舶的快速性指標(biāo)是一對矛盾。如何在主尺度及船型系數(shù)已經(jīng)確定的前提下解決這對矛盾,是本船線型設(shè)計(jì)的技術(shù)難點(diǎn)之一。
大型LNG船的長寬比L/B>6,寬度吃水比B/T>4,方形系數(shù)CB>0.75,屬于淺吃水肥大型船舶。通過分析國內(nèi)外有關(guān)文獻(xiàn)[1,2,3],得出尾型選擇 是改 善淺吃水肥大型船舶性能的關(guān)鍵,而采用雙尾鰭船型是一條有效途徑,其有利于降低船舶阻力,提高推進(jìn)效率和操縱性能。
22萬立方米LNG船主要要求為:垂線間長302.0 m;型寬~50.0 m;型深 27.0 m;貨 艙容積~220 000 m3;設(shè)計(jì)吃水 12.0 m;服務(wù)航速 19.5 kn。
雙尾鰭線型由兩個尖瘦的片尾和一個縱流型中央隧道組成。與常規(guī)船型相比,尾部線型變化較緩和、縱向梯度變化小,可使尾部流場順暢,減少邊界層分離,從而減小粘壓阻力;同時還可減少尾興波,降低興波阻力[4]。
LNG船由于所載貨品的密度較小,大型化發(fā)展后,其吃水仍較小,保持在12 m左右。與主尺度相近的VLCC、VLOC相對比,大型LNG船的浮心縱向位置(LCB)要偏后許多,約為±0.5%Lpp(“-”表示舯后,“+”表示舯前),而前兩者的 LCB 均為+3%Lpp。雙尾鰭增大了尾部豐滿度,有利于LCB后移。
本船后體線型為縱流型,中縱剖線的切點(diǎn)位置在3站附近,縱向角控制在17°以內(nèi)。文獻(xiàn)[5]指出兩鰭間的內(nèi)隧道存在壓力差,較易出現(xiàn)橫向流甚至倒流[5]。為了改善這種現(xiàn)象,線型設(shè)計(jì)時加大了兩鰭彼此內(nèi)表面間距、使其外傾,并將角度范圍控制在14°~17°之間。同時,可將鰭的形狀設(shè)計(jì)成沿鰭軸內(nèi)側(cè)薄于外側(cè)的非對稱形狀,以減小水流分離和縱向渦。
圖1為非對稱鰭的橫傾角為0°(方案A1)時和15°(方案A2)時特性剖面的比較。從數(shù)值計(jì)算的比較結(jié)果來看,尾鰭傾角大小的變化對阻力值的影響不明顯,從趨勢上來看傾角變大對阻力稍有好處。但對比結(jié)果顯示,槳軸間距大小的變化對阻力影響比較明顯。相關(guān)文獻(xiàn)曾將尾鰭傾角與槳軸間距大小相結(jié)合,通過模型試驗(yàn)尋找其中的關(guān)聯(lián),其試驗(yàn)結(jié)果與本船數(shù)值計(jì)算的結(jié)論相同。
雙槳推進(jìn)的船舶,螺旋槳的旋向與推進(jìn)特性密切相關(guān)。從推進(jìn)效率的角度出發(fā),希望螺旋槳的旋向與切向伴流方向相反。通過調(diào)整尾鰭的形狀改變切向伴流產(chǎn)生預(yù)旋流。尾鰭外側(cè)的形狀優(yōu)化后的方案A3與方案A2的比較如圖1。應(yīng)用FLUENT軟件對A2和A3尾鰭方案進(jìn)行了尾部流場的數(shù)值計(jì)算。為了便于比較計(jì)算結(jié)果的可靠性,兩個模型的縮尺比和網(wǎng)格劃分方法相同,計(jì)算區(qū)域以及網(wǎng)格數(shù)量也基本一致。
如圖2中螺旋槳盤面處伴流分布來看,A2和A3兩型尾鰭均可以提供一定程度的外旋預(yù)旋流,但A3的強(qiáng)度較大且分布均勻。
模型試驗(yàn)結(jié)果比較表明,螺旋槳采用內(nèi)旋比外旋推進(jìn)效率提高了7%,見表1。
表1 螺旋槳內(nèi)旋與外旋的船模試驗(yàn)結(jié)果比較
本船采用與常規(guī)運(yùn)輸船相同的球鼻艏。由于LNG船屬中低速船型,首部線型的優(yōu)化主要考慮抑制首部舭渦和降低破波阻力。如圖3,選取4個不同首部方案(F1、F2、F3、F4),應(yīng)用SHIPFLOW軟件進(jìn)行興波波形、船側(cè)波和船體表面壓力分布的計(jì)算。
由于對稱,故只需對半個船體進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算區(qū)域?yàn)樯嫌?.5個船長、船側(cè)0.7個船長、下游2.0個船長,網(wǎng)格劃分及數(shù)量基本一致。計(jì)算結(jié)果見圖4~6以及下頁中的表2。
從圖4可以看出,不同球首方案的波形特征基本沒有改變,但方案F4的首部波峰和波谷的值明顯都??;從圖5也可得出同樣結(jié)論。從圖6可以看出壓力分布的差異,F(xiàn)4方案壓力分布較均勻,梯度變化較小。我們可以直觀的從表2中看出不同球首方案的興波阻力系數(shù)的變化,F(xiàn)4方案最小。
表2 不同首部方案的興波阻力系數(shù)計(jì)算值
表2中需要說明的是,球首的改變會引起濕表面積的變化。雖然興波阻力系數(shù)減小很多,但興波阻力不一定會有相同量級的減少。由于摩擦阻力也會改變,所以最后總的阻力不一定會減小很多。因此綜合上述各項(xiàng)來看,F(xiàn)4方案較優(yōu)。
22萬立方米LNG船的雙尾鰭后體設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。當(dāng)然船首型的選擇也很重要,通過不同首型與尾型相匹配的多種方案試驗(yàn),從中選取較優(yōu)者。根據(jù)上述分析,選取尾部兩個方案A1、A3和首部兩個方案F1、F4分別組合進(jìn)行模型試驗(yàn)。從表3不同方案組合有效功率比較可以看出,不同球首在設(shè)計(jì)速度附近,F(xiàn)4A3比F1A3的阻力約小10%。由圖3可知,球首F1的體積、長度均比F4小,F(xiàn)1的阻力偏大,可能是球首太小,不足以消去主船體產(chǎn)生的興波強(qiáng)度。不同尾鰭在設(shè)計(jì)速度附近,F(xiàn)4A3比F4A1的阻力約小2-3%。整個試驗(yàn)過程中觀察到,F(xiàn)4A3組合和F4A1組合在3站附近都有一個波谷,但F4A1組合波谷更明顯。
表3 不同方案組合有效功率比較
由圖1不同尾鰭特性剖面比較可知,在3站附近船體與尾鰭連接處,A3過渡相對緩和,可能對減小3站附近的波谷強(qiáng)度有利。另外,A1尾鰭橫傾角為0°,并且尾鰭體積較肥,兩個尾鰭間的距離較近,對水流可能會有一定的干擾??傊?,從阻力試驗(yàn)可以看出:F4比F1明顯好,A3也比A1好。最后選取首尾組合F4A3和F4A1進(jìn)行自航和伴流試驗(yàn)。
從實(shí)船航速預(yù)報(bào)結(jié)果來看(如表4),當(dāng)配以內(nèi)旋槳、在設(shè)計(jì)吃水12 m時,F(xiàn)4A3組合航速可達(dá)19.54 kn,滿足設(shè)計(jì)要求;而F4A1組合航速僅為19.23 kn,不能滿足設(shè)計(jì)任務(wù)要求。
表4 不同尾鰭方案狀態(tài)下預(yù)估的實(shí)船航速(內(nèi)旋槳)
從軸向標(biāo)稱伴流等值線來看,見圖7,兩種組合高伴流區(qū)均出現(xiàn)在12點(diǎn)左右,峰值為0.6或0.7,但F4A3組合均勻性較好。首型F4與尾型A3相匹配明顯有較佳的阻力與推進(jìn)性能。將F4A3組合線型在國外SSPA水池進(jìn)行模型驗(yàn)證試驗(yàn),得出相同結(jié)論。最終將F4A3組合線型確定為目標(biāo)船線型。
22萬立方米大型LNG船雙尾鰭線型,在尾鰭間距一定時,尾鰭形狀的好壞對船舶性能影響較大。尾鰭采用向外傾斜的非對稱型,通過改變切向伴流產(chǎn)生預(yù)旋流,有效減小了尾部水流分離和縱向渦,提高了伴流分布的均勻性,并配以內(nèi)旋向的雙螺旋槳,提高了推進(jìn)效率。優(yōu)選的前體與后體的有機(jī)結(jié)合,大大降低了本船的總阻力,提高了推進(jìn)性能。同樣值得注意的是,雙尾鰭船尾部的伴流均勻性和伴流峰值,因尾懸體相當(dāng)于懸臂梁,固定端的靜彎矩較大,將對激振力形成較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。
[1]W.B.V.Berlekom,Twin skeg afterbodies can save fuel oil[Z].SSPA Highlight N01-1984.
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